CN102648058B - 生物质材料的处理方法及热能利用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种能够以极低成本实现生物质材料的减量化或碳化的生物质材料的处理方法。该方法是使选自家畜排泄物、农产废弃物、水产废弃物及林产废弃物中的1种或2种以上生物质材料在能够进行加热及加压的容器内进行减量化或碳化的方法，其中，该方法包括：将所述生物质材料加入到所述容器内，然后，使该容器内达到满足下述(a)~(d)中全部条件的初期环境，从而使所述生物质材料的温度上升至超过80℃，所述初期环境的条件为：(a)含氧气体氛围、(b)55℃~80℃、(c)超过大气压~15个气压、以及(d)一氧化碳浓度为100ppm以上，在超过所述80℃之后，通过使所述容器内达到满足下述(1)~(3)中全部条件的后续环境，使所述生物质材料的温度自然上升至至少超过150℃，从而对该生物质材料进行减量化或碳化，所述条件为：(1)含氧气体氛围、(2)高于大气压~15个气压、以及(3)一氧化碳浓度为100ppm以上。

Description

生物质材料的处理方法及热能利用方法
技术领域
本发明涉及生物质材料的处理方法及热能利用方法，具体而言，涉及能够以极低成本实现食品废弃物、家畜排泄物、农产废弃物、水产废弃物、林产废弃物等生物质材料的减量化或碳化的生物质材料的处理方法、以及利用由该处理方法产生的热源的热能利用方法。
背景技术
随着生物资源的循环利用意识的提高，近年来，大多数有机废弃物被堆肥化，并作为资源进行土壤还原。其中，最期待进行堆肥化、资源化的畜产排泄物，即家畜粪便、厨余垃圾等食品废弃物(以下将它们统称为“家畜粪便等”)，其在产生时多为高水分，处于所谓的泥泞状。这样的家畜粪便等由于为泥泞状而不易使空气(氧)进入到内部，不易发生通常的由微生物分解而引起的生物化学反应，存在难以进行堆肥化的问题。因此，以往采用的是降低含水率、使氧容易进入到内部的方法。
作为降低含水率的方法之一，包括对有机废弃物赋予热能、送风等来降低含水率的方法，但由于该方法存在成本方面的问题，因此并不现实。另外，作为其它方法，与作为畜产排泄物的家畜粪便的情况类似，包括将锯屑、稻杆、稻壳等农业副产品与有机废弃物混合来降低水分，从而使空气容易流通，以促进由微生物分解引起的生物化学反应的方法，但就该情况而言，存在下述难点：存在难以供应上述农业副产品的地域；即使能够供应，加上农业副产品的加工操作，也会造成成本增大；以及，这样的农业副产品的混合反而会造成总处理量增加，成本增大。
也考虑了不对有机废弃物进行堆肥化、资源化，将其减量化之后送回自然界的方法，但对于该情况，必须要降低泥泞状有机废弃物的含水率，存在与上述同样的问题。并且，仅通过降低泥泞状有机废弃物的含水率进行干燥时，不会发生由微生物分解引起的堆肥化反应，将干燥后的有机废弃物再次送回到自然界后，又会恢复成原本的泥泞状有机废弃物。另外，该方法并不需要像进行与人类排泄物相同的污水处理那样高的成本。
另一方面，专利文献1中提出了一种废弃物处理方法，该方法在水蒸气釜中对含有厨余垃圾的废弃物进行加压及加热(150~200℃)，以使废弃物碳化、减量化。另外，专利文献2中公开了下述方法：在气化炉内，边供给空气，边控制所述空气的供给量，使因城市垃圾的部分燃烧而产生的一氧化碳量达到最大。另外，专利文献3中记载了有机物等的干燥方法，该方法对干燥装置内部与被干燥物接触的氛围气体中所含的一氧化碳浓度进行测定，使得上述一氧化碳的浓度保持在10ppm以上且100ppm以下的给定值。此外，专利文献4中该提出了一种下述厨房垃圾的混合处理方法：将厨房垃圾捣碎(擂潰)并与水混合，制成浆料原水，在利用高压泵对该浆料原水进行加压的同时，压入含氧高压气体或高压空气，并加热至湿式氧化温度，然后进行湿式氧化处理。此外，专利文献5中公开了下述方法：利用具备反应容器、加热机构及加压机构的亚临界水解装置，在130~374℃的反应温度、反应温度的饱和水蒸气压以上的反应压力下对畜产物等废弃物进行亚临界水解处理。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001-137806号公报
专利文献2：日本特开2000-297917号公报
专利文献3：日本特开2000-46472号公报
专利文献4：日本特开平1-310799号公报
专利文献5：WO2005/077514(国际公开小册子)
发明内容
发明要解决的问题
然而，上述专利文献1~5均需要使处理温度达到高温，存在处理成本高的问题。具体而言，专利文献1中，需要达到150~200℃这样的高温；专利文献2也需要达到450~900℃的高温；专利文献3也需要达到350~600℃的高温；专利文献4也需要达到100~300℃的高温；专利文献5也需要达到130~374℃的高温。
本发明为解决上述问题而完成，目的在于提供一种生物质材料的处理方法，该方法能够以极低的成本使食品废弃物、家畜排泄物、农产废弃物、水产废弃物、林产废弃物等生物质材料减量化或碳化。另外，本发明的另一目的在于提供一种热能利用方法，其利用由该生物质材料的处理方法产生的热源。
解决问题的方法
本发明人在研究能够将有机废弃物堆肥化而再利用、或减量化而废弃的有效处理方法的过程中发现，即使对于含水率高、泥泞化的情况，通过向有机废弃物的内部有效地供给氧，也能够促进由微生物分解而引起的生物化学反应，进而实现堆肥化。另外还发现了温度会上升至100℃、200℃这样的超过由微生物分解而引起的自身放热结束时的温度(约70℃左右)的现象(本申请人的未公开在先申请：日本特愿2008-99985号；公开号：日本特开2009-249240号公报)。随后，本发明人经过进一步研究后发现：即使对于含水率低的其它生物质材料，通过在初期置于特定的条件下，也可以引起温度的自然上升，实现同样的温度上升，即使不进行传统的高温加热也能够进行生物质材料的减量化或碳化，进而完成了本发明。
即，为了解决上述问题，本发明涉及的生物质材料的处理方法的特征如下：该方法是使选自食品废弃物、家畜排泄物、农产废弃物、水产废弃物及林产废弃物中的1种或2种以上生物质材料在能够进行加热及加压的容器内进行减量化或碳化的处理方法，其中，该方法包括：将上述生物质材料加入到上述容器内之后，使该容器内达到满足下述(a)~(d)中全部条件的初期环境，从而使上述生物质材料的温度上升到超过80℃，所述初期环境的条件为：(a)含氧气体氛围、(b)55℃~80℃、(c)高于大气压~15个气压、及(d)一氧化碳浓度为100ppm以上；在温度超过上述80℃之后，通过使上述容器内达到满足下述(1)~(3)中全部条件的后续环境，使上述生物质材料的温度自然上升至至少超过150℃，从而对该生物质材料进行减量化或碳化，所述后续环境的条件为(1)含氧气体氛围、(2)高于大气压~15个气压、及(3)一氧化碳浓度为100ppm以上。
根据该发明，通过在将生物质材料加入到容器内之后使该容器内达到特定的条件，以使生物质材料上升至超过80℃的温度，并使该超过80℃后的容器内保持特定的条件，可以使生物质材料自然上升至高温，以使生物质材料发生减量化或碳化，因此，即使不进行传统的高温加热，也能够以极低的成本实现生物质材料的减量化或碳化。
在本发明的生物质材料的处理方法中，上述生物质材料包含有机废弃物，该有机废弃物通过与氧接触而引发的微生物的有机物分解反应而至少上升至55℃。
根据该发明，由于生物质材料包含通过与氧接触而引发的微生物的有机物分解反应而至少上升至55℃的有机废弃物，因此，这样的生物质材料会在进行堆肥化(肥料混合化(composting))之后发生减量化或碳化。其结果，能够使经过减量化或碳化后的处理物通过随后的填埋等而再次返回到自然界。
在本发明的生物质材料的处理方法中，在上述容器内，除了投入有上述生物质材料以外，还投入有玻璃化转变温度为200℃以下的塑料材料。
根据该发明，由于在投入生物质材料的同时还投入了玻璃化转变温度为200℃以下的塑料材料，因此，该塑料材料会与温度上升至至少超过150℃的生物质材料共同发生减量化或碳化。
在本发明的生物质材料的处理方法中，上述容器至少具备排水阀、加热装置及加压装置，其中，随着上述温度的上升，定期或不定期地将积留在该容器底部的水分从该排水阀排出。
根据该发明，由于能够定期或不定期地将伴随温度上升而积留在容器底部的水分排水，因此，能够提高生物质材料的减量化或碳化的效率。
在本发明的生物质材料的处理方法中，以上述生物质材料为产生供给源、和/或以一氧化碳罐为供给源供给上述一氧化碳。
根据该发明，由生物质材料本身和/或由一氧化碳罐供给一氧化碳，并将其浓度保持于给定范围，从而能够谋求生物质材料的处理高效化。
为了解决上述问题，本发明涉及的热能利用方法的特征如下：该方法利用通过实施上述本发明的生物质材料的处理方法而产生的热作为热源。发明的效果
根据本发明的生物质材料的处理方法，通过在将生物质材料加入到容器内之后使该容器内达到特定的条件，以使生物质材料上升至超过80℃的温度，并使该超过80℃后的容器内保持特定的条件，可以使生物质材料自然上升至高温，以使生物质材料发生减量化或碳化，因此，即使不进行传统的高温加热，也能够以极低的成本实现生物质材料的减量化或碳化。
根据的本发明的热能利用方法，由于利用了通过实施上述本发明的生物质材料的处理方法而产生的热作为热源，因此，能够实现热能的有效利用。特别是，通过将这样的热能作为畜产事业等的能源加以利用，可谋求事业成本的节约，进而提高竞争力。
附图说明
图1为结构图，示出了在本发明的生物质材料的处理方法中采用的容器的一例。
图2为坐标图，示出了容器内仅导入空气和一氧化碳时的温度变化结果。
图3为坐标图，示出了在50℃~70℃范围对经过干燥的奶牛粪便进行加热之后，加压至1MPa时的温度变化。
图4为坐标图，示出了奶牛粪便以外的其它干燥类生物质(木片、糙米)在1MPa下的温度变化。
图5为坐标图，示出了混入有塑料材料的生物质材料的温度变化、以及在其反应过程中进行定期排水时的容器内压力变化。
图6为实验开始前生物质材料的形态和实验开始后经过减量化或碳化后的生物质材料的形态的照片。
图7为坐标图，示出了使用实验1的生物质材料的情况下，1MPa下的温度和一氧化碳浓度的变化。
图8为实验6中使用的装置的简略结构图。
图9为坐标图，示出了在实验6中，1MPa下的实验试样温度的经时变化。
图10是在示出图9的结果的同时示出了下述实例的图，所述实例包括：针对实验1的生物质材料(奶牛粪便)，以空气(氧)气体氛围、50℃、1MPa为初期环境条件开始的实例；以及，针对实验6的实验试样(厨房垃圾)，以空气(氧)气体氛围、40℃、1MPa为初期环境条件开始的实例。
符号说明
1 容器
2 容器主体
3 材料投入口
4 盖
5 漏泄阀
6 排水阀
7 加热装置
8 气体流入阀
9 气体注入阀
10 生物质材料
11 注入管
11a 孔
12 容器底板
13 容器底部
具体实施方式
结合附图对本发明的生物质材料的处理方法及热能利用方法进行具体说明。需要说明的是，下述实施方式是本发明的优选例，本发明并不限定解释于该实施方式。
[生物质材料的处理方法]
本发明的生物质材料的处理方法是使选自食品废弃物、家畜排泄物、农产废弃物、水产废弃物及林产废弃物中的1种或2种以上生物质材料在能够进行加热及加压的容器内进行减量化或碳化的方法。另外，其特征在于：第1，将生物质材料加入到上述容器内，然后，使该容器内达到满足下述(a)~(d)中全部条件的初期环境，从而使上述生物质材料上升至超过80℃的温度，所述初期环境的条件为：(a)含氧气体氛围、(b)55℃~80℃、(c)高于大气压~15个气压、以及(d)一氧化碳浓度为100ppm以上。第2，在超过上述80℃之后，通过使上述容器内达到满足下述(1)~(3)中全部条件的后续环境，使上述生物质材料的温度自然上升至至少超过150℃，从而使生物质材料减量化或碳化，所述后续环境的条件为：(1)含氧气体氛围、(2)高于大气压~15个气压、以及(3)一氧化碳浓度为100ppm以上。
以下，针对本发明的构成进行具体说明。需要说明的是，以下，在没有特殊限定的情况下，“%”为“重量%(质量%)”。
(生物质材料)
生物质材料为选自食品废弃物、家畜排泄物、农产废弃物、水产废弃物及林产废弃物中的1种或2种以上废弃物。具体可列举：厨余垃圾等食品废弃物(食品残渣)；牛、猪、马等的家畜排泄物(粪尿)；剩余生产品、拣选排除品、加工副产品(米糠等)等农产废弃物；过剩渔产品、加工垃圾等水产废弃物；木屑、木片、加工垃圾等林产废弃物等。这些生物质材料可以是单独的材料，也可以由多种混合而成的材料。
这样的生物质材料与其含水率无关，可以是泥泞体，也可以是干燥体，另外，还可以是已经经过了堆肥化的材料。作为其一例，可适用：含水率高、在静置状态下氧不易渗透到内部、不易发生由微生物引起的生物化学反应的生物质材料；全体或局部泥泞化、通气性差的生物质材料；含水率低(也包括0%)的诸如奶牛粪便、木片、糙米等这样的基质含碳的干燥类生物质材料；已经经过了堆肥化的生物质材料；等等。
其中，所述经过了堆肥化的生物质材料是指，通过与氧接触而发生的微生物的有机物分解反应而至少上升至55℃、进而发生了堆肥化的材料。该生物质材料在经过堆肥化(肥料混合化)之后，通过适用本发明的处理方法会发生减量化或碳化，因此可通过随后的填埋等而再次返回到自然界。
对于诸如家畜排泄物(粪尿)、农产废弃物等这样的生物质材料而言，当其含水率整体为80%以上、或整体含水率不高但局部达到80%以上时，会成为泥泞状，但利用本发明的处理方法，即使是泥泞状的生物质材料也可以无问题地使用。不过，就泥泞状的生物质材料而言，由于后述的氧不易从其表面进入到内部，因此，不易进行由微生物引起的生物化学反应以及伴随放热的化学反应。于是，作为向生物质材料内部供给氧的方法，可采用强制加压方法。所述强制加压方法，是从储气瓶注入空气、氧气等，以使密闭容器内的压力上升的方法。另一方面，整体或局部的含水率低于80%的情况下，氧不易进入到生物质材料内部的现象稍弱，因此，向该生物质材料的内部强制供给氧的必要性弱，利用自然加压方法也能够向内部供给氧。当然，也可以采用强制加压方法。所述自然加压方法，是在加热状态的密闭容器内自然地升高压力的方法。
另外，生物质材料为厨余垃圾等食品废弃物的情况下，其生物质材料整体的含水率为40%以上、或整体含水率不高但局部为40%以上。对于上述的家畜排泄物(粪尿)、农产废弃物等含有较多纤维质的生物质材料而言，当其整体或局部的含水率为80%以上时，会发生泥泞化，但对于并不含有那么多纤维质的厨余垃圾等而言，即使含水率低于80%也会发生泥泞化，通常，含水率在40%以上即存在泥泞化的倾向。因此，对于这样的食品废弃物，也可以与上述同样地，通过强制加压方法或自然加压方法向其内部供给氧。所述“整体”含水率是指，生物质材料中均等或较为均等地含有水分的情况下的比例。另一方面，所述“局部”含水率指的是下述情况：即使生物质材料的整体含水率低于80%(例如畜产排泄物等的情况)或低于40%(例如厨余垃圾等食品废弃物的情况)，从部分而言，也存在80%以上或40%以上的泥泞状的部分。
生物质材料的整体含水率的测定可通过取一定程度的量的生物质材料作为试样，对该试样干燥前后进行质量测定来评价。另一方面，生物质材料的局部含水率可通过局部地取少量试样，对其干燥前后进行质量测定来评价。
也可以与这样的生物质材料一起混入其它废弃物。作为其它废弃物，可列举例如容易与来自家庭的厨余垃圾一起被废弃的塑料材料(BA-RA-N（寿司装饰塑料片）、Hi-To-Tsu-Ba（塑料假花）、瓶盖、吸管、橡皮圈、包装材料等)、纸制品、木制品(简易筷子、牙签等)等。需要说明的是，就塑料材料而言，其耐热性因种类而异，但这里可列举玻璃化转变温度为200℃以下的塑料材料、特别是玻璃化转变温度为150℃以下的塑料材料，例如由聚萘二甲酸乙二醇酯(玻璃化转变温度:120℃)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(75℃)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(75℃)、聚苯硫醚(90℃)、聚醚醚酮(143℃)、聚碳酸酯(145℃)构成的材料。通过将这些废弃物与生物质材料一起混入，能够与上升至至少超过150℃的温度的生物质材料共同实现减量化或碳化。
(处理容器)
图1为结构图，示出了在本发明的生物质材料的处理方法中采用的容器的一例。如图1所示，容器1能够由容器主体2和盖4实现密闭，并且能够进行加热及加压，生物质材料10从打开盖4后的材料投入口3投入。盖4可以是设置于容器上部的所谓盖，也可以是设置于容器侧壁的门，并无特殊限定。对于容器的材质也没有特殊限定，只要由对生物质材料具有耐腐蚀性、且具有耐热性的材质制成即可，可列举例如不锈钢等。
本发明中，通过使该容器内达到特定的条件，可使生物质材料10的温度上升，进而，通过将温度开始上升后的容器内进一步保持于特定的条件，可以使生物质材料10自然上升至高温，从而实现生物质材料10的减量化或碳化。
容器1的加热至少通过设置于容器主体2的加热装置7进行。容器的加热可利用电热器等进行，并无特殊限定。另外，加热装置7的周围被绝热材料包覆。容器1中设置有经过耐热包覆的热电偶等温度计。该温度计设置于容器内，优选设置于用于填充生物质材料10的部位，从而能够对容器内的生物质材料10的温度进行准确地测定。
容器内的加压利用加压装置(装置本身未图示)进行。具体而言，根据需要而使氧气、空气、一氧化碳中的1种或2种以上从设置于容器1的气体流入阀8流入，从而使容器内部加压。需要说明的是，这些气体在容器内用于生物质材料10的燃烧。使何种气体流入，可通过用传感器检测容器内部的气体浓度等加以控制。由于一氧化碳浓度较低，为100ppm左右，因此，负责给定压力值的通常是压缩氧气或压缩空气、或者是压缩泵或压缩器等压力施加装置。另外，各气体可以从各自的储气瓶单独注入或混合后注入。容器1中设置有能够测定大气压~20气压程度的压力的压力计。作为压力计，可采用市售的压力计，并无特殊限制。
容器1中可以设置用于向生物质材料10的内部直接注入氧气、空气、一氧化碳中的1种或2种以上的气体注入阀9。气体注入阀9与在比生物质材料10的通常填充量低的位置具有孔11a的注入管11相连。本发明中，由于在使容器内部达到加压状态后进行处理，因此，即使如如图1所示地从设置于容器主体2上部的气体流入阀8流入气体的情况下，也能够使气体浸入生物质材料10的内部而引发生物质材料10的放热反应，而通过进一步设置这样的气体注入阀9及注入管11，可以使气体向生物质材料10内部的浸入更直接地进行，从而更有效地进行生物质材料10的放热反应。特别是，优选从气体注入阀9注入氧而使氧直接注入到生物质材料10的内部，从而使放热反应更为有效地进行。
容器1中优选设置一氧化碳计。该一氧化碳计便于测定容器内部的一氧化碳浓度、确认放热反应的进行状况等。一氧化碳计可使用市售的仪器，其安装位置也任意。
容器1的底部13是将处理中从生物质材料10排出的水分透过底板12(具有水分透过孔的间隔板)后加以积留的部分，而设置于该底部13的排水阀6是用于将这样的水分定期或不定期地排出的阀。排水阀的控制可以为手动也可以为自动。此外，所述定期，是指例如每隔一定时间使排水阀6运转的情况等；而所述不定期，是指并非例如每隔一定时间，而是在容器内部达到给定压力或给定温度时使排水阀6运转的情况等。
容器1中也可以设置用以调整内压的漏泄阀5。漏泄阀5在处理结束时使用，但也可以是在容器内部达到给定压力时自动运转的阀。需要说明的是，图1中，在容器主体2上设置有漏泄阀5、气体流入阀8、气体注入阀9等，但其设置部位并不限定于图1的实例，也可以设置于例如盖4等。
这样的容器不会在过高的压力下使用，因此无需采用高价的压力容器，可使用低成本的容器。
(初期环境)
在本发明的处理方法中，第1，在将生物质材料10加入到容器1内之后，使该容器内达到满足下述(a)~(d)中全部条件的初期环境：(a)含氧气体氛围、(b)55℃~80℃、(c)高于大气压~15个气压、以及(d)一氧化碳浓度为100ppm以上。通过形成这样的特定条件，可使生物质材料10上升至超过80℃的温度。
(a)氧作为必要的氛围气体而包含于容器内。该氧会与生物质材料10的碳反应而有利于放热反应。向生物质材料10内供给氧时，如图1所示，通过使容器内达到加压状态(高于大气压~15个气压)而使氧浸入到生物质材料10的内部。另外，可利用图1所示的与气体注入管11相连的气体注入阀9而直接进行更有效的氧的浸入。氧可以是氧气本身，也可以是由氧和其它载气混合而成的气体，但通常使用的是约含20%左右氧的一般的空气。
(b)容器内的温度设定于55℃~80℃。通过使温度在该范围，可使生物质材料10发生放热反应，从而能够使温度上升至超过80℃。可以利用设置于容器1的加热装置7将温度调整至上述温度内。该温度是初期环境下的范围，因此，在容器内的生物质材料10的温度超过80℃而转移至后述的“后续环境”之后，可以直接在该温度下对容器进行保温，也可以切断加热装置7的开关。
(c)容器内的压力为高于大气压~15个气压。通过使压力在该范围内，可以将上述氧容易地注入到生物质材料内。需要说明的是，该压力可通过将气体从气体流入阀8注入到密闭容器内而获得。从向生物质材料10供给氧的观点出发，优选为2个气压以上且10个气压以下，进一步，从得到更为低廉的容器的观点出发，更优选为2个气压以上且5个气压以下。
容器内的压力可以控制为始终为恒定的压力，也可以在上述给定的压力范围内任意变动。前者的恒定压力的控制可通过控制压力计、漏泄阀5及气体流入阀8来实行。而对于后者的情况，只要预先设定上限压力，使漏泄阀5运转以使压力不超过上限压力。需要说明的是，在该初期环境下，排出水分的必要性小，因此不开排水阀6。
(d)一氧化碳的浓度为100ppm以上。以生物质材料为产生供给源供给一氧化碳、和/或以一氧化碳罐为供给源供给一氧化碳。生物质材料10所产生的一氧化碳是因生物质材料与氧发生不完全反应而生成的。根据生物质材料10的种类不同，由生物质材料自身产生的一氧化碳的产生量有时可达到100ppm以上。另外，由生物质材料自身产生的一氧化碳的产生量不足100ppm以上的情况下，通过从气体流入阀8流入给定量的一氧化碳，可使容器内部的一氧化碳浓度达到100ppm以上。此外，生物质材料自身基本上不产生一氧化碳的情况下，通过从气体流入阀8流入给定量的一氧化碳，可使容器内部的一氧化碳浓度达到100ppm以上。
通过使一氧化碳浓度为100ppm以上，可与氧共同引发生物质材料10的放热反应。一氧化碳的浓度低于100ppm时，与存在100ppm以上一氧化碳的情况相比，可能会导致放热反应稍不充分、温度也不会大幅上升，存在生物质材料的减量化或碳化进行迟缓的隐患。需要说明的是，一氧化碳浓度的充分必要浓度为100ppm~500ppm的范围，即使是该范围以上的浓度，也不会阻碍放热反应(参见后述图7)。
以上，通过形成特定的初期环境，可使生物质材料上升至超过80℃的温度。具体而言，例如将厨余垃圾等食品废弃物投入到容器内的情况下，通过将容器设定于上述(a)~(d)的初期环境，食品废弃物会在容器内的100ppm以上的一氧化碳和氧的存在下发生放热反应而上升至超过80℃的温度。另外，例如将作为干燥类生物质材料的木片投入到容器内的情况下，通过将容器设定于上述(a)~(d)的初期环境，木片会在容器内的100ppm以上的一氧化碳和氧的存在下发生放热反应而上升至超过80℃的温度。
(后续环境)
在本发明的处理方法中，第2，在超过上述80℃之后，通过使容器内达到满足下述(1)~(3)中全部条件的后续环境，使上述生物质材料自然上升至至少超过150℃的温度，从而使生物质材料减量化或碳化，所述条件为：(1)含氧气体氛围、(2)高于大气压~15个气压、以及(3)一氧化碳浓度为100ppm以上。通过形成这样的特定条件，可使上述初期环境中发生的放热反应得以保持，从而使其温度上升至至少超过150℃的高温。需要说明的是，除了温度要件以外，该后续环境与上述的初期环境基本相同。
(1)氧作为在该后续环境中也必要的氛围气体而包含于容器内。与上述初期环境的情况相同，氧会与生物质材料10的碳反应而有利于放热反应。向生物质材料10内供给氧时，如图1所示，通过使容器内达到加压状态(高于大气压~15个气压)而使氧浸入到生物质材料10的内部。另外，可利用图1所示的与气体注入管11相连的气体注入阀9而直接进行更有效的氧的浸入。氧可以是氧气本身，也可以是由氧和其它载气混合而成的气体，但通常使用的是约含20%左右氧的一般的空气。
(2)容器内的压力也与上述初期环境相同，为高于大气压~15个气压(1.5MPa)。通过使压力在该范围内，可以将上述氧容易地注入到生物质材料内。需要说明的是，该压力可通过将气体从气体流入阀8注入到密闭容器内而获得。从向生物质材料10供给氧的观点出发，优选为2个气压(0.2MPa)以上且10个气压(1MPa)以下，进一步，从得到更为低廉的容器的观点出发，更优选为2个气压(0.2MPa)以上且5个气压(0.5MPa)以下。
在该后续环境下，生物质材料10中的水分会逐渐积留于容器底部13，因此要定期或不定期地打开排水阀6。其结果，容器内部的压力暂时性地向大气压敞开，但由于立即再次关闭排水阀6，因此，生物质材料10中的水分将气化为水蒸气而导致内压上升，从而容易恢复至给定的高于大气压的气体氛围。此外，通过在关闭排水阀6之后使气体从气体流入阀8流入，也可以将压力调整至给定的内压。这样的定期或不定期的排水在能够加速生物质材料10的干燥方面是有利的。在本发明中的该后续环境中，由于包含这样的打开排水阀6的工序，因此有时压力会暂时性地达到大气压~15个气压以外的大气压，进一步，一氧化碳浓度也有时会经过稀释而达到低于100ppm，但该“后续环境”包含暂时性地达到大气压~15个气压以外的压力的情况、以及一氧化碳浓度达到低于100ppm的情况。在本发明的后续环境下，优选在满足上述(1)~(3)的全部条件的同时，包含该排水工序。
容器内的压力可以控制为始终为恒定的压力，也可以在上述给定的压力范围内任意变动。前者的恒定压力的控制可通过控制压力计、漏泄阀5及气体流入阀8来实行。而对于后者的情况，只要预先设定上限压力，使漏泄阀5运转以使压力不超过上限压力即可。
(3)该后续环境中的一氧化碳浓度也为100ppm以上。以生物质材料为产生供给源供给一氧化碳、和/或以一氧化碳罐为供给源供给一氧化碳。生物质材料10所产生的一氧化碳是因生物质材料与氧发生不完全反应而生成的。根据生物质材料10的种类不同，由生物质材料自身产生的一氧化碳的产生量有时可达到100ppm以上。另外，由生物质材料自身产生的一氧化碳的产生量不足100ppm以上的情况下，通过从气体流入阀8流入给定量的一氧化碳，可使容器内部的一氧化碳浓度达到100ppm以上。此外，生物质材料自身基本上不产生一氧化碳的情况下，通过从气体流入阀8流入给定量的一氧化碳，可使容器内部的一氧化碳浓度达到100ppm以上。
一氧化碳的浓度低于100ppm时，与存在100ppm以上一氧化碳的情况相比，可能会导致放热反应稍不充分、温度也不会大幅上升，存在生物质材料的减量化或碳化进行迟缓的隐患。通过使一氧化碳浓度为100ppm以上，可与氧共同引发生物质材料10的放热反应。需要说明的是，一氧化碳浓度的充足浓度必须为100ppm~500ppm的范围，即使是该范围以上的浓度，也不会阻碍放热反应(参见后述图7)。
在该后续环境中，像初期环境的情况那样，不提高温度。其原因在于，使气体氛围达到上述(1)~(3)的范围内，即可使生物质材料自身的放热反应持续进行。需要说明的是，作为温度，可以直接加热为与初期环境相同的温度进行保温，也可以切断加热装置7的开关。
以上，通过形成特定的后续环境，可进一步促进并保持生物质材料的放热反应，从而使温度上升至至少超过150℃、200℃以上的温度。其结果，可进行生物质材料10的减量化和碳化。特别是，由于在该后续环境中可以不进行传统的高温加热，因此可显著缩减电能，进而可期待其成为实现二氧化碳削减目标的方法之一。
需要说明的是，本发明的处理方法中生物质材料10的放热反应的详细机制尚未明确，但可以认为其是包含下述放热反应中的至少一种以上的反应：生物质材料与氧反应而生成二氧化碳时的放热反应、生物质材料与氧反应而生成一氧化碳时的放热反应、以及一氧化碳与氧反应而生成二氧化碳时的放热反应。
以上，在包含初期环境和后续环境的本发明的生物质材料的处理方法中，生物质材料达到至少超过150℃的温度为止的时间(期间)根据作为处理对象的生物质材料的种类及含水率等状况而异，但为3日以上、14日以下左右。因此，从与生物质材料的处理量的关系方面考虑，优选准备多台处理容器或后述的处理装置进行处理。
[热能利用方法]
本发明的热能利用方法是利用对上述本发明的生物质材料的处理方法的放热原理进行活用而产生的热作为热源的方法。
作为具体的利用方法，可列举在容器内进行生物质材料的处理，将该容器内产生的水蒸气作为热源进行热交换的方法。此时，可采用热交换器，而该热交换器直接或经由配管设置于容器，以使高温水蒸气从容器导入后作为高温侧热源向外部供给热能。另外，还可以列举在容器内进行生物质材料的处理，并使用该容器内产生的水蒸气作为制冷剂用热源用于冷暖气设备的方法。
作为温度达到例如超过150℃的高温为止的天数，为3日以上、14日以下左右，因此在利用化学反应中产生的热作为热源的情况下，通过例如同时设置多台图1所示的处理装置、并使它们的生物质材料的投入时期依次错开地运转，可作为连续的热源加以利用。
在这样的利用中，优选将经过热交换机冷却的水蒸气再次回流至处理容器内，对水分进行循环利用。由此，可抑制生物质材料的碳化，实现将生物质材料作为放热用原料以较长时间持续利用。
实施例
以下，结合具体实验例对本发明的生物质材料的处理方法进行详细说明。
(实验1)
作为实验试样，使用从宇都宫大学农学部附属农场采集的“奶牛粪便”作为生物质材料，并将该生物质材料调整至约50~60%w.b.的含水率，在30℃下静置约15小时后用于实验。作为实验装置，使用由与图1所示的相同的结构形态构成的容器，将试样220g(含水率:51.6w.b.%)加入到1L反应槽中。从气体流入阀8向容器内送入空气，并将容器内的压力保持于1MPa。使用气体检测器(GASTEC、Japan)对容器内的一氧化碳浓度进行了测量。在1MPa下，利用1L气体采集袋采集气体，然后进行了测定，于大气压下在容器内进行了直接测定。
图2为坐标图，示出了容器内仅导入空气和一氧化碳时的温度变化结果。本发明的处理方法中发生的放热反应如果是仅由以一氧化碳为中心的气体引起的反应，则仅通过在容器内填充空气和一氧化碳，即应该引起温度上升。向容器内填充空气和一氧化碳、强制性地将容器内的温度加热至62℃~80℃范围的结果，可确认到：无论是0.1MPa(大气压)下还是1MPa下，均仅由空气和一氧化碳引起了温度上升。特别是，1MPa的情况下温度上升快。作为对照区，在仅填充有空气的1MPa的加压环境下，温度未上升。
此外，在容器内混合空气和“奶牛粪便的微高压(1MPa)反应后的气体(图2中记作“Finish gas”)”的结果显示，在一氧化碳浓度为100ppm时，温度上升，而在一氧化碳浓度低于25ppm时，温度下降。可以推测，为使温度上升，最低限的一氧化碳浓度是必要的。另外，从62℃~约70℃的范围开始处理的情况和从约70℃~80℃的范围开始处理的情况相比，后者的温度上升更快。
另一方面，在常温进行空气和一氧化碳的反应的情况下，无论是在大气压(0.1MPa)下还是在1MPa下，均未观察到温度的上升。可见，为引发空气与一氧化碳的反应而升高温度时，一定程度的温度是必要的。由上述结果可以证实：本发明的处理方法中发生的放热反应是由气体引起的化学反应，且一氧化碳参与了该反应。此外还可明确的是：为引发反应，最低限的温度和一氧化碳浓度是必要的。
(实验2)
图3为坐标图，示出了在50℃~70℃的范围对经过干燥的奶牛粪便进行加热之后，加压至1MPa时的温度变化。强制性地加热至55℃~70℃范围的结果显示，即使在含水率为0%w.b.~63.5%w.b.的情况下，也发生了温度上升。由此可以确认，奶牛粪便的含水率与放热反应不直接相关。另一方面，采用在大气压下开始的对照区(含水率69.5%w.b.、70℃开始)时，温度下降。可以认为，这是由于：在大气压下，作为发生源的生物质材料未充分供给伴随温度上升的放热反应所必须的一氧化碳浓度。由此可以推测，压力具有容易使生物质材料产生一氧化碳的效果。
此外，对于将1MPa下的实验开始温度设定为55℃的情况，也确认到了温度的上升，但使实验开始温度为50℃开始的情况下，未确认到温度上升。由此可以认为，由以一氧化碳为中心的气体引发的放热反应最低在55℃以上开始反应。
(实验3)
图4为坐标图，示出了奶牛粪便以外的其它干燥类生物质(木片、糙米)在1MPa下的温度变化。将1MPa下的实验开始温度设定为约70℃的情况下，木片、糙米均发生了温度上升。这表明：只要存在用以产生一氧化碳的有机物(含C有机物)，即可实现温度的上升。另一方面，使用木片、并将1MPa下实验开始温度设定为53℃的情况下，温度下降。这与经过干燥的奶牛粪便同样，补偿了放热反应在低于55℃时不易发生的结果。
(实验4)
使用家庭产生的厨余垃圾作为生物质材料，并进一步混合聚酯瓶的瓶盖(聚丙烯)、茶包、牙签、吸管、BA-RA-N(在寿司便当中放入的材料)、乙烯树脂盖、橡皮圈、各种塑料包装材料(酱油容器等)后，投入到容器内。作为初期环境，向容器内填充空气，并加热至75℃，在1MPa、一氧化碳浓度约100ppm的条件下开始了实验。图5为坐标图，示出了混入有塑料材料的生物质材料的温度变化、以及在其反应过程中进行定期排水时的容器内压力变化。生物质材料的温度上升，立即超过80℃。立即停止加热，但温度继续上升，在达到140℃的时刻打开排水阀，进行第1次的排水A。暂时性地达到约100℃、大气压，但随后立即发生了温度上升和压力上升。此时的压力上升是由于生物质材料中的水分气化、容器的内压升高。需要说明的是，实验中的一氧化碳浓度均超过了100ppm。
然后，如图5所示，进行了排水B、C、D、E、F。每次都会发生暂时性的温度下降且达到大气压，但与排水A相同，随后立即发生温度上升和压力上升。进行各排水时，由生物质材料产生的排水量、残水量、残水率如表1所示。每次排水时，确认到了残水率的降低。在排水F后，停止实验。图6为实验开始前生物质材料的形态和实验开始后生物质材料的形态的照片。
由该实验4可知，从初期环境转移至后续环境之后，优选进行定期或不定期的排水，作为该后续环境条件，优选在含氧气体氛围且100~500ppm的一氧化碳浓度环境下，在每次容器内压达到1.5MPa(15个气压)、优选达到1MPa(10个气压)时进行打开排水阀的操作。通过进行这样的排水操作，可加速生物质材料的干燥，在谋求有效的减量化或碳化的方面是有利的。
[表1]
(实验5)
图7为坐标图，示出了使用实验1的生物质材料的情况下，1MPa下的温度和一氧化碳浓度的变化。一氧化碳浓度随着温度的上升而增加，在约78℃以上时，一氧化碳的上升显著。由此可知，一氧化碳的存在会引起基于放热反应的温度上升，即使一氧化碳浓度高于100ppm的浓度(例如：500、1000、1500、2000、2500ppm)，也不会阻碍伴随温度上升的放热反应。
(实验6)
与实验4同样地，使用家庭产生的厨余垃圾(厨房垃圾)485g(含水率77.8%w.b.)作为生物质材料，并进一步混合聚酯瓶的瓶盖(聚丙烯)、吸管、BA-RA-Ns(在寿司便当中放入的材料)、乙烯树脂盖、塑料包装材料(酱油容器等)等塑料垃圾15g，使用了由此得到的共计500g的实验试样。将该实验试样投入到图8所示的实验装置的密闭型耐压不锈钢容器(有效容积:0.93L)内。将容器静置于绝热型腔内，使用T型热电偶进行了±1℃以内的温调控制。向容器内投入实验试样后，在非密闭环境中加热，在实验试样达到80℃的时刻停止加热，并在该时刻从储气瓶向容器内供给空气，进行3次净化(purge)，以使容器内的气相条件达到均一。作为容器内的压力，通过在关闭排气阀后，再次从储气瓶向容器内仅供给空气，并在压力表显示1MPa(约10个气压)的时刻关闭供给阀，使容器内的压力达到恒定(1MPa)。CO浓度使用气体检测器(GASTEC、Japan)进行调整。在该实验中，未从储气瓶供给一氧化碳气体。
图9为示出实验试样温度的经时变化的坐标图。在空气(氧)气体氛围、80℃、1MPa的初期环境条件下的实验试样的温度经过数小时保持不变，但随后持续上升，4日后达到100℃，进一步，在随后也发生了温度上升(其中，于110℃中止了实验)。
在该实验6中，尽管未从储气瓶供给一氧化碳气体，但观察到了温度上升。其原因可以认为：在达到80℃后的数小时左右的温度未上升期间，由实验试样产生了一氧化碳，该一氧化碳浓度在容器内至少会达到100ppm以上。这也说明：在实验5中，温度越高，则由奶牛粪便产生的一氧化碳越多。另外，向容器内供给含有60ppm一氧化碳的空气，进行了与该实验6相同的对比实验，确认到了下述结果：如图9中的虚线所示，在达到80℃之后，温度停滞的时间短，表现出了较为顺畅的温度上升。由此也可以认为：在达到80℃后的数小时左右的温度未上升期间，由实验试样产生了一氧化碳，该一氧化碳浓度在容器内至少会达到100ppm以上。需要说明的是，对于图9中示出的2条曲线涉及的试样而言，110℃时的一氧化碳浓度均超过2000ppm(超过了所使用的CO浓度检测管的可测定范围)。
另外，图10是在示出图9的结果的同时示出了下述实例的图，所述实例包括：针对实验1的生物质材料(奶牛粪便)，以空气(氧)气体氛围、50℃、1MPa为初期环境条件开始的实例；以及，针对实验6的实验试样(厨房垃圾)，以空气(氧)气体氛围、40℃、1MPa为初期环境条件开始的实例。由该结果可知，使用易产生一氧化碳的奶牛粪便或厨房垃圾时，可以使温度缓慢上升，但就其时间而言，直到达到80℃为止需要25日以上，需要极长的时间。因此，将实验试样置于本发明的初期环境条件下时，可实现极为迅速的温度上升，在谋求生物质材料的有效减量化或碳化方面是有利。
由以上各实验结果可知：(1)在将生物质材料投入到容器内之后开始实验时，通过容器内达到满足含氧气体氛围、55℃~80℃(优选70~80℃)、高于大气压~15个气压、一氧化碳浓度为100ppm以上的全部条件的初期环境，可使生物质材料上升至超过80℃的温度；(2)在超过该80℃之后，通过使容器内达到满足含氧气体氛围、高于大气压~15个气压、一氧化碳浓度为100ppm以上的全部条件的后续环境，可使生物质材料自然上升至至少超过150℃的温度，从而实现生物质材料的减量化或碳化。在这样的处理方法中，只要是不依赖于生物质材料的含水率、且基质含碳的材料，无论是何种材料，均显示出能够使温度上升的可能性。另外，这样的放热反应被推测为C+O2=CO2+94.1kcal(394.3kJ)、C+1/2O2=CO+26.4kcal(110.6kJ)、CO+1/2O2=CO2+67.6kcal(283.7kJ)。作为应用例，也有望应用于超临界反应、亚临界反应。

Claims (7)

1.生物质材料的处理方法，该方法使选自食品废弃物、家畜排泄物、农产废弃物、水产废弃物及林产废弃物中的1种或2种以上生物质材料在能够进行加热及加压的容器内进行减量化或碳化，其特征在于，
该方法包括：
将所述生物质材料加入到所述容器内后，使该容器内达到满足下述(a)～(d)中全部条件的初期环境，从而使所述生物质材料的温度上升到超过80℃，所述初期环境的条件为：(a)含氧气体氛围、(b)55℃～80℃、(c)超过大气压～15个气压、以及(d)一氧化碳浓度为100ppm以上，
在超过所述80℃之后，通过使所述容器内达到满足下述(1)～(3)中全部条件的后续环境，使所述生物质材料的温度自然上升到至少超过150℃，从而对该生物质材料进行减量化或碳化，所述后续环境的条件为：(1)含氧气体氛围、(2)高于大气压～15个气压、以及(3)一氧化碳浓度为100ppm以上，
其中，所述容器至少具备排水阀、加热装置及加压装置，随着所述温度的上升，定期或不定期地将积留在该容器底部的水分从该排水阀排出。
2.根据权利要求1所述的生物质材料的处理方法，其中，所述生物质材料包含有机废弃物，该有机废弃物通过与氧接触而引发的微生物的有机物分解反应而至少上升至55℃。
3.根据权利要求1或2所述的生物质材料的处理方法，其中，在所述容器内，除了所述生物质材料以外，还投入有玻璃化转变温度为200℃以下的塑料材料。
4.根据权利要求1或2所述的生物质材料的处理方法，其中，以所述生物质材料为产生供给源供给所述一氧化碳、和/或以一氧化碳罐为供给源供给所述一氧化碳。
5.根据权利要求3所述的生物质材料的处理方法，其中，以所述生物质材料为产生供给源供给所述一氧化碳、和/或以一氧化碳罐为供给源供给所述一氧化碳。
6.根据权利要求1所述的生物质材料的处理方法，其中，以所述生物质材料为产生供给源供给所述一氧化碳、和/或以一氧化碳罐为供给源供给所述一氧化碳。
7.热能利用方法，其利用通过实施权利要求1～6中任一项所述的生物质材料的处理方法而产生的热作为热源。
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